Utilização de substratos orgânicos, nomeadamente resíduos agroindustriais, para cultivo de microalgas

Abstract

Atualmente, problemas associados à crescente população mundial, poluição ambiental e procura de energias renováveis conduzem à exploração de fontes alternativas sustentáveis que possam satisfazer as exigentes necessidades do ser humano. Neste sentido, a produção de biomassa de microalgas tem vindo a demostrar elevado potencial biotecnológico em função das inúmeras aplicações que apresenta. Estes microrganismos são capazes de produzir diversas moléculas de alto valor, fontes de energia como o biodiesel e, ainda, a fixação de gases com efeito de estufa. No entanto, os custos do seu cultivo devem ser reduzidos, de forma a tornar se uma realidade perfeitamente alcançável. Deste modo, surge o presente estudo que tem como principal objetivo a produção de biomassa de microalgas a baixo custo através da formulação de meios de cultivo a partir de resíduos agroindustriais. A formulação destes meios não só permite uma eficiente diminuição dos custos de produção, como também a reutilização de resíduos que, na sua maioria, não são encaminhados de forma adequada. Numa primeira fase do presente projeto foi realizado um screening a diferentes meios alternativos, onde foram utilizados os resíduos: condensado de melaço solúvel (CMS) líquido, condensado de melaço solúvel (CMS) prills, Soro Queijo, água de lavagem da indústria de lacticínios e açúcar da Tabaqueira. Já numa segunda fase precedeu-se à escolha de três principais resíduos, a partir dos quais foi realizado um estudo mais aprofundado quanto à sua utilização em meios de cultivo de microalgas. Nesta segunda fase, onde se incluem os principais resultados do presente projeto, foi estudado o crescimento e perfil bioquímico das microalgas Chlorella vulgaris e Nannochloropsis oceanica. Foram utilizados reatores de 2 L no laboratório, sob condições de cultivo controladas e pré-definidas, e no exterior em reatores de 50 L (reatores de painel plano (PP)), em condições dependentes do ambiente exterior. Foram formulados meios de cultivo com os resíduos: soro de queijo, açúcar da Tabaqueira e efluente salino proveniente da indústria de bacalhau. No crescimento da microalga de água doce (Clorella vulgaris), testado em meios com soro de queijo e açúcar da Tabaqueira, foram alcançados valores superiores de velocidade de crescimento sob condições controladas e em meios alternativos. O meio com soro de queijo foi aquele que maior taxa média de crescimento apresentou (0,52 d-1). Pelo contrário, nos ensaios em reatores painel plano (PP) o meio controlo registou taxas médias de crescimento e produtividades mais elevadas. Também nestas condições, o regime semi-contínuo apresentou melhores resultados, originando, por isso, concentrações em biomassa superiores quando comparado ao regime descontínuo. O meio com açúcar atingiu uma produtividade máxima de 0,12 g·L-1·d-1, valor mais alto entre os meios alternativos sob condições externas. No que diz respeito à caracterização bioquímica, a percentagem de proteína máxima obtida foi de 17,82 %, em meio com soro de queijo. Este valor apresentou-se muito inferior comparativamente à percentagem obtida em meio controlo (36,12 %). Quanto à produção de clorofila (a e b), os resultados demonstraram concentrações mais reduzidas em biomassa cultivada em meios alternativos. Entre os meios testados, o cultivo com açúcar da Tabaqueira mostrou melhores resultados na produção desta microalga, no entanto a produção de compostos alvo não foi favorecida em qualquer um dos meios testados. A microalga marinha (Nannochloropsis oceanica), testada em meios com efluente salino mais meio Algafarm inorgânico e efluente salino mais soro de queijo, foi capaz de atingir uma taxa média de crescimento igual a 0,21 d-1 e uma produtividade de 0,16 g·L-1·d-1, obtidos em meio com efluente salino mais meio Algafarm inorgânico. Os dois meios testados atingiram valores de velocidade de crescimento muito próximos do meio controlo e produtividade superiores. As taxas de crescimento obtidas foram superiores nos ensaios realizados sob condições controladas. Pelo contrário, as produtividades em biomassa em reatores painel plano (PP) foram mais altas. A produção de lípidos totais e o perfil em ácidos gordos apresentaram se muito semelhante entre todos os meios. No entanto, é de ressalvar o facto de que a produção de PUFA (ácidos gordos polinsaturados) e EPA (ácido eicosapentaenóico) foi favorecida nos meio alternativos, comparativamente ao controlo. O meio com soro de queijo possibilitou uma percentagem de PUFA e de EPA de 50 % e 35 %, respetivamente. O meio alternativo formulado com efluente salino e meio Algafarm inorgânico foi o que mais favoreceu a produção da espécie, no entanto o meio com soro de queijo possibilitou percentagens mais elevadas dos principais ácidos gordos (PUFA e EPA). Em suma, este trabalho apresenta alguns resultados quanto à integração de resíduos agroindustriais em meios de cultivo utilizados na produção de biomassa de microalgas.

Nowadays, problems associated to growing world population, environmental pollution and search for renewable energy lead to exploration of sustainable alternative sources that can meet the existing human needs. In this sense, the production of microalgae biomass has been demonstrating a high biotechnological potential due to the numerous applications it presents. These microorganisms are capable of producing several high-value molecules, sources of energy such as biodiesel and greenhouse gas fixation. However, the costs of its cultivation must be reduced to become a perfectly achievable reality. Thus, appears the present study that has as main objective the production of low-cost microalgae biomass through the formulation of culture media from agroindustrial waste. The formulation of these means not only allows an efficient reduction of production costs, as well as the reuse of waste which, mostly, are not properly routed. In a first phase of the present project a screening was done to different alternative means, where the residues were used: liquid soluble molasses condensate (CMS), CMS prills, cheese whey, dairy industry washing water and sugar from tobacco. In the second phase, three major residues were chosen, from which a more detailed study was carried out regarding their use in microalgae culture media. In this second phase, which includes the main results of this project, the growth and biochemical profile of the microalgae Chlorella vulgaris and Nannochloropsis oceanica were studied. Experiments were conducted indoors in 2 L reactors, under controlled and pre-defined culture conditions, and outdoors in 50 L reactors (flat panel reactors), in conditions dependent on the external environment. Culture media were formulated with the residues: cheese whey, sugar from tobacco and saline effluent from the cod industry. In the growth of the freshwater microalgae (Clorella vulgaris), tested in media with cheese whey and sugar from tobacco, higher values of growth rate were obtained under controlled conditions and in alternative means. The medium with cheese whey was the one with the highest average growth rate (0.52 d-1). On the contrary, the trials in flat panel the controlled media registered rates of growth and higher productivities. Also, under these conditions, the semi-continuous growth regime presented better results, originating, therefore, superior concentrations in biomass when compared to the discontinuous regime. The medium with sugar reached a maximum productivity of 0.12 g·L-1·d-1, highest value among alternative means under external conditions. Concerning to the biochemical characterization, the percentage of maximum protein obtained was 17.82 %, in media with cheese whey. This value was much lower compared to the percentage obtained in control media (36.12 %). As for chlorophyll production (a and b), the results showed lower concentrations in biomass grown in alternative media. Between the means tested, the cultivation with tobacco sugar showed better results in the production of this microalgae, however the production of compounds was not favored for any of the media tested. The marine microalgae (Nannochloropsis oceanica), tested in media with saline effluent plus inorganic Algafarm and saline effluent plus cheese whey, was able to achieve a growth rate equal to 0.21 d-1 and a productivity of 0.16 g·L-1·d-1, obtained in media with saline effluent plus inorganic Algafarm media. The two media tested reached growth rate values very close to the control medium and higher productivity. The growth rates obtained were higher in the tests carried out under controlled conditions. On the other hand, biomass productivities in flat panel were higher. The production of total lipids and the fatty acids profile are very similar among all means. However, it is important to note that the production of PUFA (polyunsaturated fatty acid) and EPA (eicosapentaenoic acid) was favored in alternative means, compared to control. The media with cheese whey allowed a percentage of PUFA and EPA of 50 % and 30 % respectively. The alternative media formulated with saline effluent and inorganic Algafarm media was the one that favored the production of the species, however the media with cheese serum allowed higher percentages of the main fatty acids (PUFA and EPA). In short, this paper presents some results to the integration of agroindustrial waste in culture media used in the production of microalgae biomass.